Onde di spin longeve nell'ossido di rame, svelate con raggi X

Un impulso laser dura solo femtosecondi, cioè biliardesimi di secondo, e in quel lampo fa ruotare in file ordinate gli spin di un cristallo di ossido di rame. Al Paul Scherrer Institute (PSI) in Svizzera, il team di Hiroki Ueda colpisce poi lo stesso campione con un secondo lampo, un impulso di raggi X altamente brillante prodotto da un laser a elettroni liberi dell'impianto SwissFEL. Ciò che viene registrato è quanto durano le onde risultanti.

La ragione per cui questo conta è il limite dei computer di oggi. I chip costruiti sul silicio stanno raggiungendo i loro limiti fisici: i componenti non possono essere rimpiccioliti all'infinito, e le frequenze di clock non possono essere aumentate all'infinito. In un chip convenzionale, gli elettroni attraversano il materiale, il che provoca perdite di potenza e genera calore di scarto. L'alternativa studiata qui, la spintronica, lascia gli elettroni al loro posto e sposta l'informazione attraverso onde di spin, un po' come l'onda negli stadi, dove le persone restano sedute e si muovono solo le braccia. Le onde sono formate da magnoni, eccitazioni collettive dello spin che si comportano come quasiparticelle, cioè trasportano un'energia e una quantità di moto definite pur non essendo particelle vere e proprie.

La novità sta nei tempi. Il team ha seguito i magnoni in tre fasi. In femtosecondi, il laser eccita gli elettroni e gli spin iniziano a ruotare insieme. Nell'arco di picosecondi, cioè bilionesimi di secondo, i magnoni entrano in collisione e formano quelle che Ueda e colleghi descrivono come onde incoerenti, simili a mari agitati. Poi, nell'ordine dei nanosecondi, cioè miliardesimi di secondo, i magnoni cedono la loro energia alle vibrazioni degli atomi del reticolo, chiamate fononi. Quest'ultimo passaggio avviene circa tre ordini di grandezza dopo il precedente. Romaguera ha detto che il team è rimasto sorpreso dalla durata del trasferimento, data la forte interazione tra magnetismo e reticolo nell'ossido di rame.

Il risultato si basa su una combinazione di metodi. Il team ha usato la tecnica pump-probe, variando il ritardo tra l'impulso laser e quello di raggi X per costruire una sequenza di istantanee, e ha aggiunto una nuova tecnica a raggi X a due tecniche già consolidate. Finora, ciascun metodo aveva catturato solo una parte del quadro, quindi nessuno disponeva di un resoconto coerente di queste interazioni. Ueda e colleghi sostengono che la relazione magnone-fonone, che dipende da come quantità di moto ed energia si relazionano in ciascuna eccitazione, controlla con quanta efficienza l'energia lascia i magnoni, e che ciò suggerisce la possibilità di progettare materiali in grado di regolare questa durata. Si tratta però di risultati ottenuti su un solo campione di ossido di rame in laboratorio. Nessun componente logico è stato costruito o testato con essi.

Per gli ingegneri che lavorano all'informatica post-silicio, il messaggio è una finestra temporale utilizzabile. Se i magnoni conservano la loro energia abbastanza a lungo, un dispositivo potrebbe, in linea di principio, manipolarli prima che si dissipino, che è la condizione per eseguire e controllare operazioni logiche con onde di spin. Il team non fornisce una data per questo passaggio e non ha descritto un prototipo, un materiale producibile su scala industriale o un costo. Ciò che ha dimostrato è che la fisica stessa dell'onda offre a un simile dispositivo qualcosa con cui lavorare.